國外甚小衛(wèi)星發(fā)展研究

?

國外甚小衛(wèi)星發(fā)展研究

Study on Foreign Very Small Satellites

張召才（北京空間科技信息研究所）

近年來，全球小衛(wèi)星（發(fā)射質(zhì)量低于500kg）發(fā)展態(tài)勢強勁，發(fā)射數(shù)量逐年大幅增長，已成為世界航天活動的主要構(gòu)成部分之一。隨著微光機電系統(tǒng)技術(shù)、微納加工技術(shù)以及創(chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計理念、創(chuàng)新系統(tǒng)運營模式不斷發(fā)展，小衛(wèi)星進一步朝著微小型化發(fā)展，在成本更低、周期更短、發(fā)射更便捷等需求驅(qū)動下，200kg以下小衛(wèi)星逐漸成為發(fā)展最活躍的領(lǐng)域。

1　國外甚小衛(wèi)星呈持續(xù)高漲發(fā)展態(tài)勢

國際上對小衛(wèi)星（SmallSat）的分類主要以衛(wèi)星質(zhì)量為依據(jù)，一般情況下，將迷你衛(wèi)星（MiniSat）、微衛(wèi)星（MicroSat）、納衛(wèi)星（NanoSat）、皮衛(wèi)星（PicoSat）和飛衛(wèi)星（FemoSat）統(tǒng)稱為小衛(wèi)星，即質(zhì)量低于500kg的衛(wèi)星稱為小衛(wèi)星。美國航空航天局（NASA）在實施小衛(wèi)星技術(shù)計劃時提出，質(zhì)量低于200kg的甚小衛(wèi)星（Very Small Satellite）在創(chuàng)新技術(shù)驗證、創(chuàng)新衛(wèi)星應用等方面具有較大優(yōu)勢，是小衛(wèi)星的重要發(fā)展領(lǐng)域。筆者在本文中采納甚小衛(wèi)星概念，以200kg以下甚小衛(wèi)星為研究對象。

國外衛(wèi)星分類方式

2010-2014年，全球航天器發(fā)射數(shù)量呈快速增長趨勢，甚小衛(wèi)星是全球航天快速發(fā)展的主要驅(qū)動力量和重點發(fā)展領(lǐng)域。5年間，全球共成功將857個航天器發(fā)射進入預定軌道，其中，甚小衛(wèi)星共計359顆，約占同期入軌航天器總數(shù)的42%，占比超過40%。

2010-2014年全球成功發(fā)射甚小衛(wèi)星數(shù)量統(tǒng)計

微、納、皮、飛衛(wèi)星發(fā)展高度活躍，推動甚小衛(wèi)星總量驟漲

2013年和2014年，甚小衛(wèi)星發(fā)射總數(shù)驟然躍升，占比達到全年發(fā)射總數(shù)的50%以上。其中，微衛(wèi)星、納衛(wèi)星、皮衛(wèi)星和飛衛(wèi)星發(fā)展高度活躍，推動甚小衛(wèi)星發(fā)射總數(shù)驟漲。2015年6月，美國北方天空研究所（NSR）咨詢公司發(fā)布了其第二版《微納衛(wèi)星市場》報告，預測未來十年全球?qū)l(fā)射100kg以下微納衛(wèi)星超過2500顆。老牌和新興航天公司均涌向小衛(wèi)星市場，利用低成本微納衛(wèi)星發(fā)展對地觀測、科學、空間態(tài)勢感知等業(yè)務。

2010-2014年全球成功發(fā)射甚小衛(wèi)星質(zhì)量分布統(tǒng)計

美、歐是甚小衛(wèi)星發(fā)射主力軍，新興國家借此打破航天空白

從甚小衛(wèi)星所屬國家看，美國、歐洲和日本近5年發(fā)射的甚小衛(wèi)星數(shù)量最多，依次位列全球前三位。其中，美國發(fā)射數(shù)量遙遙領(lǐng)先其他國家，約占同期全球發(fā)射甚小衛(wèi)星總數(shù)的53.5%，彰顯出美國利用甚小衛(wèi)星創(chuàng)新空間技術(shù)和發(fā)展創(chuàng)新應用的全球引領(lǐng)地位。此外，秘魯、奧地利、厄瓜多爾、烏拉圭等新興航天國家開始借助甚小衛(wèi)星開展本國航天活動，實現(xiàn)了本國衛(wèi)星發(fā)射零的突破，推動了航天技術(shù)在全球普及，加深了航天在世界范圍內(nèi)的影響，在全球掀起一場“軌道革命”。

2010-2014年各主要航天國家發(fā)射甚小衛(wèi)星占比

甚小衛(wèi)星從技術(shù)試驗邁向業(yè)務化發(fā)展

隨著甚小衛(wèi)星單星性能、在軌壽命不斷提高，以及星地一體化設(shè)計理念、星座編隊飛行能力發(fā)展，甚小衛(wèi)星應用領(lǐng)域不斷拓展，開始從技術(shù)試驗向?qū)Φ赜^測、通信廣播、空間科學與深空探測等領(lǐng)域延展。一方面，盡管科學與技術(shù)試驗仍是甚小衛(wèi)星主要的應用領(lǐng)域，但其不再只局限于元器件、部組件測試等傳統(tǒng)應用，開始為業(yè)務型對地觀測、通信廣播等應用衛(wèi)星系統(tǒng)開展全系統(tǒng)空間試驗和功能驗證。另一方面，甚小衛(wèi)星在中高分辨率光學遙感成像、存儲轉(zhuǎn)發(fā)通信和數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域中的應用顯著發(fā)展。

2010-2014年甚小衛(wèi)星應用領(lǐng)域占比

甚小衛(wèi)星商業(yè)應用是未來最大增長極

由于成本低、周期短、發(fā)射便捷等特點，甚小衛(wèi)星是各國政府研究機構(gòu)和高校開展前沿技術(shù)創(chuàng)新的重要領(lǐng)域。同時，隨著業(yè)務能力不斷提升，甚小衛(wèi)星的軍事應用和商業(yè)價值也獲得廣泛關(guān)注。2014年，俄羅斯發(fā)布的《俄羅斯2030軍事技術(shù)裝備發(fā)展戰(zhàn)略》提出，俄羅斯面臨的主要軍事威脅之一是“主要國家加緊發(fā)展包括以各種（作戰(zhàn)、偵察等）小型衛(wèi)星和納米衛(wèi)星為基礎(chǔ)的航天技術(shù)”。2010-2014年，全球共發(fā)射100顆商用甚小衛(wèi)星、59顆軍用甚小衛(wèi)星和200顆民用甚小衛(wèi)星，占比分別為28%、16%和56%。特別是隨著風投、眾籌等多元化投融資方式在航天領(lǐng)域興起，未來商用甚小衛(wèi)星發(fā)展將進一步呈現(xiàn)繁榮增長趨勢。

2　國外甚小衛(wèi)星邁入實用化發(fā)展階段

早在2 0 0 8年，美國富創(chuàng)咨詢公司就發(fā)布了一篇關(guān)于低成本甚小衛(wèi)星的市場調(diào)研報告，認為100～200kg范圍小衛(wèi)星“技術(shù)發(fā)展開辟了除傳統(tǒng)的技術(shù)論證領(lǐng)域之外的其他市場”。富創(chuàng)咨詢公司對30多個潛在的應用領(lǐng)域進行調(diào)查后提出，甚小衛(wèi)星最具發(fā)展前景的6個領(lǐng)域包括軍事科學和技術(shù)，情報、監(jiān)視和偵察，偏遠地區(qū)通信，數(shù)據(jù)采集，高分辨率地球觀測以及環(huán)境監(jiān)測。

目前，國外甚小衛(wèi)星已發(fā)展為衛(wèi)星體系的重要構(gòu)成部分。各類應用衛(wèi)星向更加注重效費比的小型化方向發(fā)展已成趨勢，甚小衛(wèi)星逐步突破以科學與技術(shù)試驗為主要用途的傳統(tǒng)思維，應用領(lǐng)域不斷拓寬。并且，隨著云計算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)與空間技術(shù)相結(jié)合，國外涌現(xiàn)出大量基于甚小衛(wèi)星的大規(guī)模星座，發(fā)展面向消費市場的創(chuàng)新衛(wèi)星應用模式和服務模式。

甚小衛(wèi)星星座組網(wǎng)，可大幅縮短對地觀測重訪周期

在對地觀測領(lǐng)域，甚小衛(wèi)星可以星座組網(wǎng)方式大幅縮短重訪周期乃至實現(xiàn)全球?qū)崟r觀測。美國天空盒子成像公司（Skybox Imaging）計劃構(gòu)建由24顆單星質(zhì)量僅91kg的小衛(wèi)星構(gòu)成的高分辨率對地觀測星座—“天空衛(wèi)星”（SkySat），具備8h全球數(shù)據(jù)更新能力，可拍攝0.9m分辨率的可見光圖像和1.1m分辨率的高清視頻，提供基于云平臺的遙感數(shù)據(jù)在線服務，推動對地觀測數(shù)據(jù)應用從單幅圖像處理向時序數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)變；美國行星實驗室公司（Planet Labs）構(gòu)建了全球首個運營級納衛(wèi)星光學遙感星座，分辨率3～5m，采用“永遠在線”（Always On）工作模式，星座可自動對陸地成像，并基于硅谷敏捷開發(fā)、敏捷測試等互聯(lián)網(wǎng)思維研制衛(wèi)星，開辟了甚小衛(wèi)星低成本研制的新模式；日本東北大學發(fā)射了雷神-2（Rising-2）對地觀測衛(wèi)星，多光譜分辨率5m，用于研究地球積雨云和上層大氣閃電現(xiàn)象。

此外，美國地理光學公司（GeoOptics）、斯派爾公司（Spire）等均計劃于近兩年發(fā)射基于無線電掩星技術(shù)的商業(yè)氣象多星星座，面向美國政府和大眾市場提供商業(yè)氣象數(shù)據(jù)及相關(guān)服務。地理光學公司計劃發(fā)展由24顆單星質(zhì)量低于100kg的甚小衛(wèi)星構(gòu)成的“連續(xù)地球遙感觀測一致性倡議”（CICERO）星座；斯派爾公司計劃于2015年底部署完成由20顆3U立方體衛(wèi)星構(gòu)成的商業(yè)氣象衛(wèi)星星座，并隨后逐步將星座規(guī)模擴展至100顆衛(wèi)星以上，以改善氣象預報的準確性。

甚小衛(wèi)星一般聚焦用戶實際需求，面向任務設(shè)計，具有功能專一化優(yōu)勢，可以提供任務定制和快速響應服務。美國陸軍在“作戰(zhàn)響應空間”（ORS）計劃及快響理念帶動下，啟動了“隼眼”（Kestrel Eye）衛(wèi)星項目，以30kg甚小衛(wèi)星為平臺支撐軍兵種能力需求，發(fā)展快速響應空間能力，探索驗證了航天裝備直接服務戰(zhàn)區(qū)、滿足戰(zhàn)術(shù)需求的新型應用模式。“隼眼”星座由30顆衛(wèi)星組成，分辨率1.5m，從基層作戰(zhàn)部隊提出成像請求到分發(fā)圖像可在10min內(nèi)完成，支持基于“虛擬任務操作中心”（VMOC）系統(tǒng)的“即指即拍”（Point and shoot）作戰(zhàn)概念，基層指揮官利用界面化便捷終端即可完成作戰(zhàn)任務規(guī)劃、數(shù)據(jù)接收、處理和分發(fā)操作。2015年6月，美國黑天全球公司（BlackSky Global）提出發(fā)展60星低軌光學遙感成像星座，單星質(zhì)量60kg，設(shè)計壽命3年，軌道高度450km。衛(wèi)星具有在軌推進能力，采用工業(yè)級相機，分辨率約1m，側(cè)擺角±30°。星座預計將于2019年建設(shè)完成，屆時可以在90min內(nèi)獲得全球95%區(qū)域的衛(wèi)星遙感圖像。此外，黑天全球公司構(gòu)建了基于互聯(lián)網(wǎng)的衛(wèi)星指控系統(tǒng)，用戶只需登錄系統(tǒng)，即可通過地圖點選的方式直接對衛(wèi)星下達成像指令。整體看，黑天全球公司提出的商業(yè)星座堪稱美國國防高級研究計劃局（DARPA）“軍事作戰(zhàn)使能效果”（SeeMe）星座的商用版本。

美國地理光學公司的“連續(xù)地球遙感觀測一致性倡議”衛(wèi)星組裝圖

美國斯派爾公司工作人員展示衛(wèi)星結(jié)構(gòu)

美國“隼眼”衛(wèi)星圖

美國黑天全球公司組裝衛(wèi)星

通信應用發(fā)展活躍，大規(guī)模互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)展最為矚目

在通信領(lǐng)域，甚小衛(wèi)星在降低成本和通信時延方面優(yōu)勢顯著，美國和歐洲基于甚小衛(wèi)星發(fā)展了存儲轉(zhuǎn)發(fā)、寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入以及數(shù)據(jù)采集服務。

美國“軌道通信”（Orbcomm）星座開啟新一輪更新?lián)Q代，第2代“軌道通信衛(wèi)星”（Orbcomm－OG2）星座首批6顆衛(wèi)星成功發(fā)射入軌，單星質(zhì)量157kg，衛(wèi)星功率670W，在保持數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)能力的基礎(chǔ)上，增加船舶自動識別系統(tǒng)（AIS），用于海上客輪和貨輪（300t以上）跟蹤與識別。據(jù)預測，隨著6顆第2代衛(wèi)星發(fā)射入軌，軌道通信公司“船舶自動識別系統(tǒng)”業(yè)務的年收入將達到600萬美元，并將逐漸提升至1000萬～1500萬美元。歐洲大力發(fā)展甚小衛(wèi)星廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B），擴大對民航飛機飛行的監(jiān)視范圍，尤其是海域和極地上方，提高空中交通安全水平、空域容量與運行效率，目前已完成星載有效載荷驗證，后續(xù)將逐步推進低軌道甚小衛(wèi)星星座業(yè)務化應用。

除存儲轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)采集業(yè)務外，通信領(lǐng)域掀起超大規(guī)模星座發(fā)展熱潮，聚焦發(fā)展天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務。英國一網(wǎng)公司（Oneweb）繼續(xù)推動其低軌Ku頻段通信星座項目，計劃在1200km高的軌道部署648顆小衛(wèi)星，單星質(zhì)量低于150kg，成本低于50萬美元。這些衛(wèi)星將運行在20個軌道面，提供全球覆蓋服務。2015年6月22日，一網(wǎng)公司將其低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座研制合同授予歐洲空客防務與航天公司。該合同是迄今為止全球最大的商業(yè)衛(wèi)星制造訂單。根據(jù)合同協(xié)議，雙方將組建一家合資企業(yè)建造900顆互聯(lián)網(wǎng)廣播衛(wèi)星，星座計劃于2018年開始發(fā)射。此外，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）創(chuàng)始人伊隆·馬斯克（Elon Musk）宣布，將在美國西雅圖建造衛(wèi)星制造廠，計劃制造并發(fā)射由4000顆小衛(wèi)星構(gòu)成的低軌通信星座，提供全球?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)服務。據(jù)馬斯克透露，太空探索技術(shù)公司已向國際電信聯(lián)盟（ITU）遞交了頻率申請書。

美國第2代“軌道通信衛(wèi)星”星座衛(wèi)星進行地面測試

英國一網(wǎng)公司的互聯(lián)網(wǎng)廣播衛(wèi)星示意圖

3　結(jié)束語

迅速增長的市場需求、不斷變革的新興技術(shù)給甚小衛(wèi)星發(fā)展帶來了前所未有的機遇，推動著世界航天技術(shù)的發(fā)展和在更大范圍內(nèi)的應用。隨著信息技術(shù)與空間技術(shù)不斷融合，未來將涌現(xiàn)更多基于甚小衛(wèi)星的創(chuàng)新應用模式，推動衛(wèi)星應用從面向?qū)I(yè)用戶，逐步向行業(yè)用戶和消費用戶發(fā)展。但也要看到，甚小衛(wèi)星作為當前衛(wèi)星體系的重要補充部分，其任務設(shè)計與大、中型衛(wèi)星各有分工，發(fā)展甚小衛(wèi)星不應以取代大衛(wèi)星為前提。并且，質(zhì)量低于10kg的甚小衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制技術(shù)尚不成熟，一般不具備主動離軌能力，亟需高度關(guān)注此類甚小衛(wèi)星的軌道設(shè)計，避免產(chǎn)生空間碎片，影響其他在軌航天器安全。